Стабилизиране на положението на работната точка на транзистора

За да може усилвателният каскад да работи в нормален, нормален режим, тоест без така нареченото свръх усилване, върху характеристиката на транзистора, е необходимо да се избере подходящата работна точка, чието положение се определя от величината на тока на колектора при определено напрежение на колектора. Обикновено в схеми на усилващи каскади с общ излъчвател напрежението в колектора на транзистора се избира равно на половината от напрежението на захранването, тъй като това съотношение гарантира, че се постига максималната амплитуда на неизкривения изходен сигнал.

Величината на напрежението, генерирано в колектора на транзистора VT1 (фиг. 2.2) при един и същ ток на колектора, зависи от стойността на съпротивлението на резистора R4, което в различни вериги може да бъде в диапазона от 1 до 100 kΩ. Избира се ниско съпротивление на колектора, когато транзисторът VT1 трябва да работи в режим на нисък ток на колектора (на етапи, които трябва да осигуряват ниско ниво на вътрешен шум). В резултат на това амплитудата на изходния ток и съответно напрежението ще бъдат малки при ниско ниво на шум. Такива етапи обикновено се използват като входни етапи. Избирайки резистор R4 с високо съпротивление, усилването на каскада се увеличава. Стойността на съпротивлението на резистора R4 в рамките на няколко килоома се избира за усилватели на напрежение, от които се изисква по-голям изходен ток при ниско изходно съпротивление.

При липса на входен сигнал базовият ток, определен от съотношението на съпротивленията на резисторите R2 и R3, инициира потока на колекторния ток, който често се нарича ток на покой. Под въздействието на всякакви външни влияния, например, когато корпусът на транзистора се нагрява, токът на покой може да се промени, въпреки че напрежението в основата остава непроменено поради постоянните параметри на елементите на разделителя R2, R3. Увеличаването на тока на колектора води до увеличаване на спада на напрежението в резистора R4, така че напрежението в колектора на транзистора VT1 ще намалее. В резултат на това напрежението между колектора и излъчвателя също ще намалее. За повечето биполярни транзистори с ниска мощност, използвани в оборудването за усилване на звука, спадът на напрежението на колектор-емитер с няколко десети от волта води до преход в режим на насищане, след което транзисторът престава да реагира на промени във входното напрежение.

За да се избегнат подобни проблеми, специални решения за схеми помагат да се стабилизира позицията на работната точка на транзистора. Едно от тях е да се използва верига за обратна връзка с отрицателен ток чрез свързване на резистор към емитерната верига на транзистора VT1. Схематична диаграма на най-простия усилващ етап със стабилизиране на работната точка на транзистора с помощта на веригата за обратна връзка по тока е показана на фиг. 2.3.

Фигура: 2.3. Схематична схема на усилвател за микрофон със стабилизиране на работната точка на транзистора с помощта на OOS токова верига

С увеличаване на тока на колектора, спадът на напрежението в резистора R5 също ще се увеличи, което при постоянно напрежение в основата на транзистора VT1 ще доведе до намаляване на потенциалната разлика между основата и излъчвателя. В резултат на това положението на работната точка на транзистора ще се промени, тъй като напрежението, което позволява транзисторът да се включи, намалява. Транзисторът ще се затвори и базовият ток ще намалее, което ще доведе до съответно намаляване на тока на колектора.

Веднага щом токът на колектора намалее, температурата на транзистора ще спадне и токът на колектора ще продължи да намалява. Това ще намали спада на напрежението в резистора R5 до първоначалната му стойност. По този начин работната точка на транзистора VT1 се стабилизира с помощта на резистора R5, включен в емитерната верига. Колкото по-висока е стойността на съпротивлението на резистора R5, толкова по-стабилна работи каскадата, когато температурата се промени. С увеличаване на това съпротивление обаче работното напрежение между колектора и излъчвателя на транзистора VT1 ще намалее.

Когато на входа на каскада пристига променлив сигнал (по време на работа в режим на усилване), в допълнение към постоянния компонент, променливият компонент на колекторния ток също преминава през резистора в емитерната верига. В резултат на това през резистора R5 ще се формира променливо напрежение с ниска честота, което също ще бъде приложено към основата на транзистора VT1, т.е. през този резистор е затворен контур за обратна връзка с отрицателен ток. Тъй като фазата на това напрежение е противоположна на фазата на входното напрежение на усилвателя, полученото напрежение в основата на транзистора VT1 ще бъде намалено, което ще доведе до намаляване на усилването на каскада. В същото време този OOS осигурява намаляване на изкривяването, въведено от каскадата, макар и за сметка на намаляване на усилването на сигнала. В допълнение, тази обратна връзка увеличава входния импеданс на каскада. В миниатюрните транзисторни радиопредаватели обаче резисторът R5 често се изключва от микрофонната усилвателна верига, за да се постигне максимална амплитуда на изходния сигнал.

За да може само постоянният компонент на тока на колектора да премине през резистора R5, паралелно към този резистор в емитерната верига на транзистора VT1 е свързан електролитен кондензатор С3 с относително голям капацитет. В този случай отрицателният му извод е свързан към телесната шина, а положителният извод е свързан с излъчвателя на транзистора VT1, който има ниско положително напрежение. Постоянният ток не преминава през този кондензатор, следователно кондензаторът C3 няма ефект върху положението на работната точка на транзистора VT1. Съпротивлението на този кондензатор на променлив ток е малко, поради което променливият компонент на колекторния ток свободно преминава през кондензатора C3 към шината на корпуса, без да създава забележимо нискочестотно напрежение върху него. Схематична диаграма на такъв усилвател, често наричан класически, е показана на фиг. 2.4.